Química raymond chang
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Q U I M I CA02330~~/~ ~~"II'/ 111/1/11111/1//11/
N ovena edición
Lista de elementos con sus símbolos y masas atómicas*
Número Masa Número Masa Elemento ~mbolo atómico atómica* Elemento
Símbolo atómico atómica**
Actinio Ac 89 (227) Lutecio Lu 71 175.0 Aluminio Al 13 26.98
Magnesio Mg 12 24.31 Americio Am 95 (243) Manganeso Mn 25 54.94
Antimonio Sb 51 121.8 Meitnerio Mt 109 (266) Argón Al' 18 39.95
Mendelevio Md 101 (256) Arsénico As 33 74.92 Mercurio Hg 80 200.6
Astato At 85 (210) Molibdeno Mo 42 95.94 Azufre S 16 32.07 Neodimio
Nd 60 144.2 Bario Ba 56 137.3 Neón Ne 10 20.18 Berilio Be 4 9.012
Neptunio Np 93 (237) Berkelio Bk 97 (247) Niobio Nb 41 92.91
Bismuto Bi 83 209.0 Níquel Ni 28 58.69 Bohrio Bh 107 (262)
Nitrógeno N 7 14.01
. Boro B 5 10.81 Nobelio No 102 (253) Bromo Br 35 79.90 Oro Au 79
197.0 Cadmio Cd 48 112.4 Osmio Os 76 190.2 Calcio Ca 20 40.08
Oxígeno O 8 16.00 Californio Cf 98 (249) Paladio Pd 46 106.4
Carbono C 6 12.01 Plata Ag 47 107.9 Cerio Ce 58 140.1 Platino Pt 78
195.1 Cesio Cs 55 132.9 Plomo Pb 82 207.2 Cloro CI 17 35.45
Plutonio Pu 94 (242) Cobalto Co 27 58.93 Polonio Po 84 (210) Cobre
Cu' 29 63.55 Potasio K 19 39.10 Criptón Kr 36 83.80 Praseodimio Pr
59 140.9 Cromo Cr 24 52.00 Proactinio Pa 91 (231) Curio Cm 96 (247)
Prometio Pm 61 (147) Darmstadtio Ds 110 (269) Radio Ra 88 (226)
Disprosio Dy 66 162.5 Radón Rn 86 (222) Dubnio Db 105 (260) Renio
Re 75 186.2 Einstenio Es 99 (254) Rodio Rh 45 102.9 Erbio El' 68
167.3 Roentgenio Rg 111 (272) Escandio Sc 21 44.96 Rubidio Rb 37
85.47 Estaño Sn 50 118.7 Rutenio Ru 44 101.1 Estroncio Sr 38 .
87.62 Ruterfordio Rf 104 (257) Europio Eu 63 152.0 Sarnario Sm 62
150.4 Fermio Fm 100 (253) Seaborgio Sg 106 (263) Flúor F 9 19.00
Selenio Se 34 78.96 Fósforo P 15 30.97 Silicio Si 14 28.09 Francio
Fr 87 (223) Sodio Na 11 22.99 Gadolinio Gd 64 157.3 Talio TI 81
204.4 Galio Ga 31 69.72 Tántalo Ta 73 180.9 Germanio Ge 32 72.59
Tecnecio Tc 43 (99) Hafnio Hf 72 178.5 Telurio Te 52 127.6 Hassio
Hs 108 (265) Terbio Tb 65 158.9 Helio He 2 4.003 Titanio Ti 22
47.88 Hidrógeno H 1 1.008 Torio Th 90 232.0 Hierro Fe 26 55.85
Tulio Tm 69 168.9 Holmio Ho 67 164.9 Tungsteno W 74 183.9 Indio In
49 114.8 Uranio U 92 238.0 Iridio Ir 77 192.2 Vanadio V 23 50.94
Iterbio Yb 70 173.0 Xenón Xe 54 131.3 Itrio Y 39 88.91 Yodo 1 53
126.9 Lantano La 57 138.9 Zinc Zn 30 65.39 Laurencio Lr 103 (257)
Zirconio Zr 40 91.22 Litio Li 3 6.941
* Todas las masas atómicas tienen cuatro cifras significativas.
Estos valores son los que recomienda el Comité para la enseñanza de
la química de la lnternational Unian of Pure and Applied Chemistry,
** Los valores aproximados de las masas atómicas se señalan entre
paréntesis.
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Universidad Autónoma Metropolitana, Xochimilco UNAM, Facultad de
Ciencias
. ...---- -- José Clemente Reza
OD31 .2 C454 2007 RAYMOND CHANG
1111/1111111111111111111111111111111111111111111111111111111
0233006194 OUIMICA
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Director Higher Education: Miguel Ángel Toledo Castellanos Director
editorial: Ricardo A. del Bosque Alayón Editor spousor: Pablo E.
Roig Vázquez Editora de desarrollo: Lorena Campa Rojas Supervisor
de producción: Zeferino García García
Traducción: Erika Jasso Hernán D'Bourneville
QUÍMICA Novena edición
Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por
cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.
_ McGraw-Hill _ Inleramericana
DERECHOS RESERVADOS © 2007 respecto a la novena edición en español
por McGRAW-HILLIINTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE c.v. A Subsidiary
ofThe McGraw-Hill Companies, ¡ne.
Edificio Punta Santa Fe Prolongación Paseo de la Reforma 1015,
Torre A Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe, Delegación Álvaro
Obregón c.P. 01376, México, D. F. Miembro de la Cámara Nacional de
la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736
ISBN-13: 978-970-10-6111-4 ISBN-lO: 970-10-6111-X
Traducido de la novena edición de: CHEMISTRY by Raymond Chang
Copyright © 2007 by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights
reserved.
La sección de créditos para este libro comienza en la página C- t
y_ se considera como. una extensión de la página legal.
ISBN-lO: 0-07-298060-5 ISBN-13 : 978-0-07-298060-8
09765432108
The McGraw-HIII Companles "';~,
Acerca del autor
Raymond Chang nació en Hong Kong y creció en Shangai y en
Hong Kong. Obtuvo la licenciatura en química por la London
University,
en Inglaterra y se doctoró en química en Yale University. Después
de rea
lizar su investigación posdoctoral en Washington University y
enseñar du
rante un año en Hunter College of the City University of New York,
se
unió al departamento de química en Williams College, donde ha
enseña
do desde 1968.
El profesor Chang ha prestado sus servicios en el American
Chemi
cal Society Examination Comrnittee, el National Chemistry
Olympiad
Examination Comrnittee y. el Graduate Record Examinations
(GRE)
Comrnittee. Es editor de la obra titulada The Chemical Educator. El
pro
fesor Chang ha escrito libros sobre fisicoquímica, química
industrial y
ciencia física. También ha participado como autor de libros sobre
el idio
ma chino, libros infantiles de fotografías y una novela de
literatura juve
nil.
Para relajarse, el profesor Chang cultiva un jardín selvático,
juega te
nis, ping-pong, toca la harmónica y practica el violín.
Imágenes de la portada A la izquierda complejo Pb2+ - AEDT. En
medio: mapa del potencial electrostáti
co que muestra la conformación del H2 a partir de dos átomos de H.
A la derecha:
estructura helicoidal-a de una molécula de proteína.
v
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2 Átomos, moléculas e iones 40
3 Relaciones de masa en las reacciones químicas 76
4 Reacciones en disolución acuosa 118
5 Gases 168
6 Termoquímica 222
7 La teoría cuántica y la estructura electrónica de los átomos
266
8 Relaciones periódicas entre los elementos 314
9 Enlace químico 1: Conceptos básicos 356
10 Enlace químico 11: Geometría molecular e hibridación de
orbitales atómicos 398
11 Fuerzas intermoleculares y líquidos y sólidos 450
12 Propiedades físicas de las disoluciones 502
13 Cinética química 544
14 Equilibrio químico 600
16 Equilibrios ácido-base y equilibrios de solubilidad 696
1 7 Química en la atmósfera 750
18 Entropía, energía libre y equilibrio 782
19 Electroquímica 818
21 Elementos no metálicos y sus compuestos 894
22 Química de los metales de transición y compuestos de
coordinación 934
23 Química nuclear 966
24 Química orgánica 1002
Apéndice 1 Derivación de nombres de los elementos
Apéndice 2 Unidades para la constante de los gases
Apéndice 3 Datos termodinámicos a 1 atm y 25°C
Apéndice 4 Operaciones matemáticas A -13
A-1
A-7
A-8
vii
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Lista de aplicaciones xxi Prefacio xxiii Una nota para el
estudiante xxxi
Química: el estudio del cambio 2 1.1 Química: una ciencia para el
siglo XXI 4
1.2 El estudio de la química 7
1.3 El método científico 8
LA QUíMICA en acción El helio primordial y la teoría del Big-Bang
10
1.4 Clasificación de la materia 11
1.5 Los tres estados de la materia 13
1.6 Propiedades físicas y químicas de la materia 14
1.7 Mediciones 15
LA QUíMICA en acción La importancia de las unidades 20
1.8 El manejo de los números 21
1.9 Análisis dimensional en la resolución de problemas 27
Resumen de datos y conceptos 31 Palabras clave 31 Preguntas y
problemas 31
MISTERIO de la química La desaparición de los dinosaurios 38
Átomos, moléculas e iones 40 2.1 La teoría atómica 42
2.2 La estructura del átomo 43
2.3 Número atómico, número de masa e isótopos 49
2.4 La tabla periódica 50
LA QUíMICA en acción Distribución de los elementos en la
Tierra
y en los sistemas vivos 52
2.5 Moléculas e iones 53
2.6 Fórmulas químicas 54
2.8 Introducción a los compuestos orgánkos 68
Resumen de datos y conceptos 69 Palabras clave 70
. Preguntas y problemas 70
Relaciones de masa en las reacciones químicas 76 3.1 Masa atómica
78
3.2 Número de Avogadro y masa molar de un elemento 79
3.3 Masa molecular 83
3.5 Composición porcentual de los compuestos 86
3.6 Determinación experimental de fórmulas empíricas 90
3.7 Reacciones químicas y ecuaciones químicas 92
3.8 Cantidades de reactivos y productos 97
3.9 Reactivos limitantes 101
LA QUíMICA en acción Fertilizantes químicos 104
Resumen de datos y conceptos 106 Palabras clave 107 Preguntas y
problemas 107
Reacciones en disolución acuosa 4.1 Propiedades generales de las
disoluciones acuosas
4.2 Reacciones de precipitación 122
LA QUíMICA en acción Una reacción de precipitación indeseable
126
4.3 Reacciones ácido-base 127
4.4 Reacciones oxidación-reducción 131
4.6 Análisis gravimétrico 148
LA QUíMICA en acción Metal proven iente del mar 155
Resumen de datos y conceptos 156 Palabras clave 156 Preguntas y
problemas J 57
118 120
Gases 168
5.2 Presión de un gas 171
5.3 Las leyes de los gases 175
5.4 Ecuación del gas ideal 181
5.5 La estequiometría de los gases 190
5.6 Ley de Dalton de las presiones parciales 192
5.7 La teoría cinética molecular de los gases 197
LA QUíMICA en acción El buceo y las leyes de los gases 198
LA QUíMICA en acción Átomos enfriados 205
5.8 Desviación del comportamiento ideal 206
Resumen de datos y conceptos 209 Palabras clave 209 Pregu:ntas Y
problemas 209
MISTERIO de la química Sin oxígeno 220
Termoquímica 222 6.1 Naturaleza y tipos de energía 224
6.2 Cambios de energía en las reacciones químicas 225
6.3 Introducción a la termodinámica 227
6.4 Entalpía de las reacciones químicas 232
LA QUíMICA en acción Fabricar nieve e inflar un neumático de
bicicleta 233
6.5 Calorimetría 239
LA QUíMICA en acción Valores energéticos de los alimentos y otras
sustancias 245
6.6 Entalpía estándar de formación y de reacción 246
LA QUíMICA en acción Cómo se defiende el escarabajo bombardero
251
6.7 Calor de disolución y de dilución 252
Resumen de datos y conceptos 254 Palabras clave 254 Preguntas y
problemas 255
MISTERIO de la química El neumático explosivo 264
xi
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Teoría cuántica y la estructura electrónica de los átomos 266
7.1 De la física clásica a la teoría cuántica 268
7.2 El efecto fotoeléctrico 272
7.3 Teoría de Bohr del átomo de hidrógeno 274
7.4 La naturaleza dual del electrón 279
LA QUíMICA en acción Láser: la luz esplendorosa 280
LA QUíMICA en acción Microscopía electrónica 283
7.5 Mecánica cuántica 283
7.6 Números cuánticos 286
7.7 Orbitales atómicos 288
7.8 Configuración electrónica 292
7.9 El principio de construcción 298
Resumen de datos y conceptos 302 Palabras clave 303 Preguntas y
problemas 303
MISTERIO de la química Descubrimiento del helio y el surgimiento y
caída del coronio
Relaciones periódicas entre los elementos 314
8.1 Desarrollo de la tabla periódica 316
8.2 Clasificación periódica de los elementos 318
8.3 Variaciones periódicas de las propiedades físicas 322
LA QUíMICA en acción ¿El tercer elemento líquido? 329
8.4 Energía de ionización 329
8.5 Afinidad electrónica 333
8.6 Variación de las propiedades químicas de los elementos
representativos 335
LA QUíMICA en acción El descubrimiento de los gases nobles
346
Resumen de datos y conceptos 347 Palabras clave 348 Preguntas y
problemas 348
312
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ffrld .® 6 S~ - t.J~'¡';-- -'&'" F cttlj tl}';- ~-, el
~U~
Contenido xiii
Enlace químico 1: Conceptos básicos 356 9.1 Símbolos de puntos de
Lewis 358
9.2 El enlace iónico 359
9.3 Energía reticular de los compuestos iónicos 361
~ LA QUíMICA en acción Cloruro de sodio: un compuesto iónico común
e importante 365
9.4 El enlace covalente 366
9.5 Electronegatividad 369
9.8 El concepto de resonancia 377
9.9 Excepciones a la regla del octeto 379
LA QUíMICA en acción Sólo diga NO 384
9.10 Entalpía de enlace 385
Resumen de datos y conceptos 390 Palabras clave 390 Preguntas y
problemas 390
Enlace químico II: Geometría molecular e hibridación de orbitales
atómicos 398 10.1 Geometría molecular 400
10.2 Momento dipolar 409
LA QUíMICA en acción Los hornos de microondas: el momento dipolar
en acción 412
10.3 Teoría del enlace valencia 415
10.4 Hibridación de orbitales atómicos 417
10.5 Hibridación en moléculas que contienen enlaces dobles y
triples 426
10.6 Teoría del orbital molecular 429
10.7 Configuraciones de orbitales moleculares 432
10.8 Orbitales moleculares deslocalizados 437
Resumen de datos y conceptos 439
LA QUíMICA en acción El buckybalón 440
Palabras clave 442 Preguntas y problemas 442
/
xiv Contenido
Fuerzas intermoleculares y líquidos y sólidos 450 11.1 La teoría
cinética molecular de líquidos y sólidos 452
11.2 Fuerzas intermoleculares 453
11.4 Estructura cristalina 462
LA QUíMICA en acción ¿Por qué los lagos se congelan desde la
superficie hacia el fondo? 463
11.5 Difracción de rayos X por los cristales 469
11.6 Tipos de cristales 471
LA QUíMICA en acción Superconductores a altas temperaturas
476
11.7 Sólidos amorfos 476
LA QUíMICA en acción y todo por un botón 478
11.8 Cambios de fase 479
11.9 Diagramas de fase 488
LA QUíMICA en acción Hervir un huevo en la cima de una montaña, las
ollas de presión y el patinaje sobre hielo 490
LA QUíMICA en acción Cristales líquidos 491
Resumen de datos y conceptos 493 Palabras clave 493 Preguntas y
problemas 494
Propiedades físicas de las disoluciones 502 12.1 Tipos de
disoluciones 504
12.2 Enfoque molecular del proceso de disolución 505
12.3 Unidades de concentración 507
12.4 Efecto de la temperatura en la solubilidad 511
12.5 Efecto de la presión en la solubilidad de los gases 513
12.6 Propiedades coligativas de las disoluciones de no electrólitos
515
LA QUíMICA en acción El lago asesino 516
12.7 Propiedades coligativas de las disoluciones de electrólitos
528
LA QUíMICA en acción Desalinización 530
12.8 Coloides 530
Preguntas y problemas 534
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Contenido
Cinética química 544 13.1 La velocidad de una reacción 546
13.2 Ley de la velocidad 553
13.3 Relación entre la concentración de reactivos y el tiempo
557
LA QUíMICA en acción Determinación de la edad del Sudario de Turín
568
13.4 Constantes de velocidad y su dependencia de la energía de
activación y de la temperatura 568
13.5 Mecanismos de reacción 575
LA QUíMICA en acción Femtoquímica 580
13.6 Catálisis 581
Resumen de datos y conceptos 588 Palabras clave 589 Preguntas y
problemas 589
Equilibrio químico 600 14.1 El concepto de equilibrio y la
constante de equilibrio 602
14.2 Escritura de las expresiones de las constantes de equilibrio
604
14.3 Relación ente cinética química y equilibrio químico 616
14.4 ¿Qué información proporciona la constante de equilibrio?
617
14.5 Factores que afectan el equilibrio químico 623
LA QUíMICA en acción La vida a grandes alturas y la producción de
hemoglobina 630
LA QUíM ICA en acción El proceso Haber 631
Resumen de datos y conceptos 632 Palabras clave 632 Preguntas y
problemas 633
Ácidos y bases 644 15.1 Ácidos y.bases de Br¡;lnsted 646
15.2 Propiedades ácido-base del agua 647
15.3 El pH: una medida de la acidez 649
15.4 Fuerza de los ácidos y las bases 652
15.5 Ácidos débi les y la constante de ionización de un ácido
656
15.6 Bases débiles y la constante de ionización de una base
663
15.7 Relación entre las constantes de ionización de los
ácidos
15.8 15.9
Estructura molecular y fuerza de los ácidos
15.10 Propiedades ácido-base de las sales 674
670
15.11 Propiedades ácido-base de los óxidos y los hidróxidos
679
xv
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15.12 Ácidos y bases de Lewis 682
LA QUíMICA en acción Antiácidos y el balance del pH en el estómago
684
Resumen de datos y conceptos 686 Palabras clave 686 Preguntas y
problemas 686
MISTERIO de la química La descomposición de los papeles 694
Equilibrios ácido-base y equilibrios de solubilidad 696 16.1
Comparación entre los equilibrios homogéneo
y heterogéneo en disolución 698
16.2 Efecto del ion común 698
16.3 Disoluciones amortiguadoras 701
LA QUíMICA en acción Mantenimiento del pH de la sangre 706
16.4 Valoraciones ácido-base 708
16.5 Indicadores ácido-base 716
16.7 Separación de iones por precipitación fraccionada 725
16.8 El efecto del ion común y la solubilidad 727
16.9 El pH Y la solubilidad 728
16.10 Los equilibrios de iones complejos y la solubilidad 731
LA QUíMICA en acción ¿Cómo se forma un cascarón de huevo 737
16.11 Aplicación del principio del producto de solubilidad al
análisis cualitativo 737
Resumen de datos y conceptos 739 Palabras clave 740 Preguntas y
problemas 740
MISTERIO de la química Un duro bocadillo 748
Química en la atmósfera 750 17.1 La atmósfera terrestre 752
17.2 Los fenómenos en las capas externas de la atmósfera 755
17.3 Disminución del ozono en la estratosfera 757
17.4 Los volcanes 762
17.8 Contaminación doméstica 773
Contenido xvii
Resumen de datos y conceptos 776 Palabras clave 776 Preguntas y
problemas 776
Entropía, energía libre y equilibrio 782
18.1 Las tres leyes de la termodinámica 784
18.2 Los procesos espontáneos 784
18.3 Entropía 785
18.4 La segunda ley de la termodinámica 790
LA QUíMICA en acción La eficiencia de las máquinas térmicas
796
18.5 La energía libre de Gibbs 796
18.6 La energía libre y el equilibrio químico 803
LA QUíMICA en acción La termodinámica de una liga 807
18.7 La termodinámica en los sistemas vivos 808
Resumen de datos y conceptos 809 Palabras clave 810 Preguntas y
problemas 810
Electroquímica 818
19.4 Espontaneidad de las reacciones redox 831
19.5 Efecto de la concentración sobre la fem de la celda 834
19.6 Baterías 839
19.7 Corrosión 844
19.8 Electrólisis 848
LA QUíMICA en acción Molestia producida por las amalgamas dentales
853
Resumen de datos y conceptos 854 Palabras clave 855 Preguntas y
problemas 855
MISTERIO de la química Agua sucia 864
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XVlll Contenido
Metalurgia y la química de los metales 866 20.1 Abundancia de los
metales 868
20.2 Procesos metalúrgicos 868
20.5 Los metales alcalinos 879
20.6 Los metales alcalinotérreos 883
20.7 Aluminio 885
LA QUíMICA en acción Reciclado de aluminio 888
Resumen de datos y conceptos 888 Palabras clavi; 889 Preguntas y
problemas 889
Elementos no metálicos y sus compuestos 894 21.1 Propiedades
generales de los no metales 896
21.2 Hidrógeno 896
21.3 Carbono 902
LA QUíMICA en acción Gas sintético a partir del carbón 905
21.4 Nitrógeno y fósforo 906
21.5 21.6
LA QUíMICA en acción Nitrato de amonio: el fertilizante explosivo
913
Oxígeno y azufre
914
921
Resumen de datos y conceptos 928 Palabras clave 929 Preguntas y
problemas 929
Química de los metales de transición y compuestos de coordinación
934 22.1 Propiedades de los metales de transición 936
22.2 La química del hierro y del cobre 939
22.3 Compuestos de coordinación 940
22.4 Estructura de los compuestos de coordinación 946
22.5 El enlace en los compuestos de coordinación: teoría del campo
cristalino 949
22.6 Reacciones de los compuestos de coordinación 955
22.7 Aplicaciones de los compuestos de coordinación 955
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Contenido xix
LA QUíMICA en acción Compuestos de coordinación en los sistemas
vivos 956
LA QUíMICA en acción Cisplatino: el medicamento anticancerígeno
958
Resumen de datos y conceptos 959 Palabras clave 960 Preguntas y
problemas • 960
MISTERIO de la química Datación de pinturas con el azul de Prusia
964
Química nuclear 966 23.1 L a naturaleza de las reacciones nucleares
968
23.2 Estabilidad nuclear 970
23.3 Radiactividad natural 975
23.4 Transmutación nuclear 978
23.5 Fisión nuclear 981
LA QUíMICA en acción El reactor de fisión nuclear de la naturaleza
986
23.6 Fusión nuclear 987
LA QUíMICA en acción Irradiación de los alimentos 993
Resumen de datos y conceptos 994 Palabras clave 994 Preguntas y
problemas 994
MISTERIO de la química El arte de la falsificación en el siglo xx
1000
Química orgánica 1002
24.2 Hidrocarburos alifáticos 1004
24.3 Hidrocarburos aromáticos 1017
LA QUíMICA en acción La industria del petróleo 1026
Resumen de datos y conceptos 1029 Palabras clave 1029 Preguntas y
problemas 1029
MISTERIO de la química La desaparición de huellas digitales
1036
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Polímeros orgánicos sintéticos y naturales 1038 25.1 Propiedades de
los polímeros 1040
25.2 Polímeros orgánicos sintéticos 1040
25.3 Proteínas 1045
LA QUíMICA en acción Anemia de células falciformes: una enfermedad
molecular 1052
25.4 Ácidos nucleicos 1054
LA QUíMICA en acción Huella digital del DNA 1057
Resumen de datos y conceptos 1058 Palabras clave 1058 Preguntas y
problemas 1058
MISTERIO de la química Una historia que le erizará los cabellos
1062
Apéndice 1 Derivación de los nombres de los elementos A-1
Apéndice 2 Unidades para la constante de los gases A-7
Apéndice 3 Datos termodinámicos a 1 atm y 25°C A-8
Apéndice 4 Operaciones matemáticas A -13
Glosario G-1 Respuestas a problemas pares AP-l Créditos C-1 Índice
1-1
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El enunciado de apertura de esta obra es: "La química es una
ciencia activa y en evolución, de una importancia vital para
nuestro mundo, tanto en el ámbito de la naturaleza como en el de la
sociedad." A través de este texto, las secciones tituladas La
química en acción y Misterio de la química presentan ejemplos de
química específicos que muestran su activi dad y su evolución en
todas las facetas de nuestras vidas.
LA QUíMICA en acción El helio primordial y la teoría del
Big-Bang
La importancia de las unidades
Distribución de los elementos en la Tierra y en los sistemas
vivos
Fertilizantes químicos
Alcoholímetro
Átomos superenfriados
Cómo se defiende el escarabajo bombardero
Láser: la luz esplendorosa
Cloruro de sodio: un compuesto iónico común e importante
Sólo diga NO
El buckybalón
¿Por qué los lagos se congelan desde la superficie hacia el
fondo?
Superconductores a altas temperaturas
y todo por un botón
Hervir un huevo en la cima de una montaña, las ollas de presión y
el patinaje sobre hielo
Cristales líquidos
Femtoquímica
La vida a grandes alturas y la producción de hemoglobina
El proceso Haber
10 20 52
104
126 143 155 198 205 233 245 251 280 283 329 346 365 384 412
440
463 476 478
xxi
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¿Cómo se forma un cascarón de huevo?
La eficiencia de las máquinas térmicas
La termodinámica de una liga
Energía bacteriana
Reciclado del aluminio
Compuestos de coordinación en los sistemas vivos
Cisplatino: el medicamento anticancerígeno
Irradiación de los alimentos
Hielo que se quema
La industria del petróleo
Huella digital del ADN
¿Quién asesinó a Napoleón?
Descubrimiento del helio y el surgimiento y caída del coronio
El cuchillo equivocado
Un duro bocadillo
Datación de pinturas con el azul de Prusia
El arte de la falsificación en el siglo xx La desaparición de
huellas digitales
Una historia que le erizará los cabellos
706 736 796 807 843 853 888 901 905 913
956 958 986 993
1062
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D esde la primera edición, mi intención ha sido escri bir un libro
de química general que proporcionara una base sólida de los
conceptos y principios quími
cos, y que infundiera en los estudiantes una apreciación de la
parte vital que tiene la química en nuestra vida diaria. Es mi
responsabilidad como a~tor de este libro de texto ayudar tan to a
los profesores como a sus estudiantes a alcanzar este ob jetivo
mediante la presentación clara y lógica de una amplia gama de
temas. Siempre que ha sido posible he tratado de encontrar un
balance entre la teoría y la práctica, y de ilus trar los
principios básicos con ejemplos cotidianos. Pero sobre todo, el
objetivo principal ha sido escribir un texto comprensible y
claro.
Con cada nueva edición he tratado de mejorar la peda gogía
empleada para desarrollar en los estudiantes habilida des de
pensamiento crítico y de resolución de problemas, así como
encontrar formas nuevas y efectivas para presentar conceptos
químicos abstractos.
Lo nuevo en esta edición Muchas secciones de este texto han sido
revisadas y actuali zadas gracias a los comentarios de revisores y
usuarios. A continuación se muestran algunos ejemplos:
o Las páginas de apertura de cada capítulo cuentan con una sección
titulada "Avance del capítulo", la cual pro-
porciona a los estudiantes una visión general de los te mas que se
abordarán en el mismo.
o Todas las ecuaciones y respuestas para la mayor parte de los
ejercicios resueltos se encuentran sombreadas para facilitar su
ubicación visual en el texto.
o Se ha agregado una introducción a los compuestos orgá nicos en
la sección 2.8.
o Se ha revisado el tema del capítulo 4 que trata los tipos de
reacciones (precipitación y ácido-base).
o Se ha awpliado el análisis de la difusión y efusión de ga ses de
la sección 5.7.
o En la sección 13.3 ahora se analizan las reacciones de orden
cero, además de las reacciones de primer y segun do orden.
o En la sección 15.3 se compara la definición del pH con los
conceptos de concentración y actividad.
o Se han actualizado varios ensayos de las secciones titu ladas La
química en acción y se agregaron dos nuevos a los capítulos 11 y
19.
o Se ha añadido un nuevo Misterio de la química al capí tulo
7.
o Al igual que en la edición anterior se ha logrado una buena
mezcla de problemas fáciles , intermedios y difíci les al final de
cada capítulo. Además de los problemas especiales se agregó una
nueva categoría que contiene otros aún más desafiantes.
xxiii
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xxiv Prefacio
Arte Como siempre, me he esmerado por lograr un diseño limpio pero
atractivo a la vista. Cada capítulo abre con dos páginas que
contienen una foto acompañada de sus correspondientes modelos
moleculares para ilustrar el proceso físico o químico a nivel
molecular.
Un globo leno de tt;drOgenoe~ pIo1aalcalenlarlocoo l1li8 llama.
E1hidrógenogaseosQteaCciona con el (lldgeno que está en el a;. re
para klrrnar vapor de '9U3-La quiTOcae$elesIu(Ii;)delaspoo.
piedades de la materia y óGlos C3IT"bios que ésIa e>cpeomeru.
lo&lT"C>deIosp¡-tr.iCf1UInlasrn> lé<:tJIas de
hidlOgeoo. adgeno Y
El estudio del cambio
f;l cslooiodelaqu[mic:l
l'ropied3desfisic;lsyquími«lSdelamaleria
Mediciones
F..1m;.ncjodeIOllnÚmeros
An~li.~ i s dimc<lsio<lal en In resoluci ón de
problcrnas
AVANCE DEL CAPíTULO • E.~te <::1(>1\1110 da ¡nido ron Unol
breve ¡nlraducción al estudio de la qulmica)" su función dc
mm
de la sociedad moderna. (1 .1 y 1.2)
• A continuxión se oonoccrnn las bases del rntlodo cien. mm. el
~u.ll es lII13 metodología ';51". mitic:apamlainvesligacioo
cnlotbslasdisciplil\:lS.(1.3)
• Sedefonirj elr.:onceptodcmaccriayseob!;er.;u-:l q ue una
sustaOOapur.lpuNo:iiCrundc,""n. 100 un compuesto. Scdi>tinguir.1
enlre un;¡ mCICla homogáIea y una hclcrogénca. Se apmldc
r.lquc.cnprincipio.lO<b lamatcriapunleu¡sti
.enC\lóllqukl'lldctrn~sólido. l fquido opseoso.(1.4 y I.S )
•
P3ra~zarunasusunciacsnecesariot'OllOCeTwspropic<bdcsflsic:ls,bsCUJlcs_ob
scr"o':lblcs sin 'luc sus prop;cd:ldes q ufmit:15 e identidad
sufran cambio :JIguoo,loqlX' sólo pue. de demostnrse medianlc
cambios qulmiCO!i. ( 1.6)
• Debidoaquclaquímicacsunacienci;¡uperirnel\l:>l.implicadusode
lasmediciones.Scoo nocerán las unidada básicasdcl SI (SiSlem:>
Imcmacional de medidas) y se cmple:lrán sus uni· dJdes dcri,Oldas
en cantidades C()OI() el lIOI url"lCn y la densidad. Tambi4!n se
estudiar:ln las lres cscalasdc lempenllur.l: Celsius, Fahmlheil y
Kclvin. (1.7)
• Con rrccucncia,loscllculos químicos implican el usodecantid:xles
muy pequclbso mu)' grnn dc$, 'j una m.mern ~ieOI~ paro tratar oon
algunas de eStaS e ifr.!.' es la nouciÓl1 cie ntífic, .. En los
cá!eul<>s O mfflici~..ad.lC"~midaddebe present:lrel
núm~~U:ldl)<k cir .... ~$ sigoi ficali,,,,,,
Ia.'queoom:sponden ndrgilos importanles. (1 .8)
• Por último, se ~nl~ nde¡;j la utilidad del ,'o~I;, i s
dimensional para los cálcul os quím i\.\)!\. Al l1e v;lrc~da unidad
a lo I~rgu de la secuencia com pl ' la de cálculos. lodas I~s
\lnid,odcs .'C cancebn. a excepdón de lacmllidad buscada. (
1.9)
L~~~:!~a ~1::I~~=~~~;:;i:!~~~':s~:~=~~:~g:~ l~nq:~:r;:::~CI: dos
se:midos una ciencia moderna. como se: wr.l poco más
adcl,uue.
Se iniciará el estudio de la químic:l en el ni\".:! macroscópico.
~-n. el que es posible obsc:r\"ar y mctJir l(X<rn:l\criales que
formannUCSlromundo.Enestec:tpilulose:anali"L:U":ielm~UloJocicnlifiro,
que es b rose par.! b im-.::sligac:i6n no sólo en quimic:l, ~no
tambi<'n en las dem;b e'eoo:u. I...utgn.
se~brir:i l:!f<lml:l en que
losciemifirosdefincnyc:u:tClerizan"lamaleria.Pc&Ieri<trmtn!e.se
,:
II
Gran parte de los dibujos y esquemas tienen una nueva apariencia,
no obstante, siguen conservando la información quí mica exacta.
Por ejemplo, los orbitales hí bridos que se ilustran en el
capítulo 10, tienen un diseño nuevo y actualizado.
Figura 10.7 Formació n de cuatro orbitales hibridos srr a partir de
un orbital 2s y tres orbitales 2p. Los o rbitales srr apuntan hacia
los vértices de un tetraedro.
También se han agregado nuevos di seños moleculares a los dibujos,
las fotos y a varios problemas de cierre de capítu lo. Además, se
ha actualizado el programa fotográfico para complementar la distri
bución visual del diseño. Por último, el formato de todas las
tablas periódicas en el texto también se ha renovado.
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Prefacio
Problemas El desarrollo de las habilidades para la resolución de
problemas siempre ha sido una meta fundamental en este texto. Por
ejemplo, en la sección 3.8, el método general para resolver
problemas de estequiometría se dividió en varios procesos
escalonados. Este método se po ne en práctica inmediatamente
después en el ejemplo 3.13. Asimismo, el ejemplo 3.14 re quiere
que los estudiantes utilicen por sí mismos este mismo tipo de
procedimiento.
Los comentarios al margen permiten aplicar nuevas habilidades a
otros problemas si milares que se han ubicado al final del
capítulo. A cada ejemplo resuelto le sigue un ejerci cio de
práctica donde se requiere que los alumnos resuelvan un problema
similar por su cuenta. Las respuestas a estos ejercicios se
presentan al final de la sección de preguntas y problemas al final
de cada capítulo.
El método geneml pam resolver problemas de cstcquiOl11ctría se
resume a continua- ción
Escriba unnecuación balanceada de la reneción.
COllv icI1a la cantidad cOl1ocidadel rcactivo(en gramos II otras
unid ades) a mímero de llloles.
3. Uti lice la relación rnolnr de la ecuación bal:mceada para
calcular el número de moles del producto formado.
4. Convierta los moles de producto en gramos (u otras unidades) de
producto
Ejemplo 3.13 Los alimcntu, quc sc ingieron son dcgmdados, o
desdoblados. en el cuerpo pamproporcionllr
Inenergínneces.ariapamelcrecimientoyotrasfuncioncs.L'IlX'uaci6ngeneral
global pmaeste C{llllplicndo proceso está representnda por la
degmdaciónde la glucosa ( C.H Il0 6) en dióxido de carbono (CO¡l
yagua(H,O) '
C6H,P. + 6O¡_6CO. + 6H¡O
Si una persona consume 856 g de C~H'IO. durante cierto periodo.
~cuál será la masa de COl producida?
ESlrlllegia Segllll la ecuación balnnccada. ¿cómo se compamn las
cantidades de C;H110 6 y COl? Se pueden comparar con b.1se en la
re!"ciÓlllllo/"r de la ecuación balanceada, ¿Cómo se convierten lo,
gmmos de C.H 110 6 en moles de este compuesto? Una vez que se
determinan los moles de COl mediante la relación 1\10lar de la
ecuación balanceada, ¿cómo se convienen cn gmmos de CO¡?
Solución Se siguen los pasos de la figllm 3.!!.
Paso 1: Luccuaci,ínbalaneeadaseproporcionaenel problema (colll
imia)
Como profesor, siempre aconsejo a mis estudiantes que ela boren un
diagrama del funcionamiento interno de un problema, lo cual es una
valiosa herramienta de aprendizaje. En algunos de los ejemplos
resueltos he incluido este tipo de dibujos (por ejemplo, vea
ejemplo 16.10 en la página 724). Esto es lo que un científico haría
al trabajar en un determinado problema.
Pa50 2: Para C<.lllvcrtir gmmos de C~H,;:ü~ a moles del mismo
compuesto, se esc ri be
856 g..cr,H"Go;, x 1~~~;1g..~~~ '" 4.750 mol Cr,H I".!O~
P(1.\(J 3; En la relación molar, se observa que CJ11l0f, "" 6 moles
CO" Por lo tanto. el numcro de moles de CO¡ formado es
4.150ruol·~x 1 :;~io;." 28.50 mol COl
P(I;'O 4; Por llltilHO, el oúmero de gramos de COI formado resulta
de
28.50Ino¡..eo;x4~.~Z "" 1.25 x 16'gCO~
Con un poco de práctiea, se podráncombinur los rmsosde
eonversión
gmmos de C6HllO,. _ moles de C6H,206- moles de CO2 _ gramos de
COl
enllnueewción:
ma,adeC02=8S6g.C~X l~~~~X 1~~~x ~'~~;eC~2 = 1.25 x lO! gCO!
CJi1206?
Ejercido de práctica El metanol (CHJOH) se quema en ai re de
acuerdo con la ecuación
Si se utiliz.'11l 209 g de metallol en IIn procesu de combustión.
¿cuál será la m~a de H,O pro· ducida?
Ejemplo 16.10 Exactamente 200 mL de BaCl2 0.0040 M sc mezclan con
exactamente 600 mL de K ZS04 0.0080 M. ¿Se formará un
precipitado?
Estrategia ¿En qué condiciones un compuesto iónico se precipita a
partir de una disolución? Los iones en disolución son Bah , CI - ,
K+ Y SO~- . De fI(:uerdo con las regla~ de solubilidad enumeradas
en la tabla 4.2 (página 123), el único precipitado que se puede
formar es BaS04. A partir de la infomlación dada, se puede calcular
rBa2+1 y [SO¡- ] debido a que se conoce el nú· mero de moles de los
iones en las disoluciones originales y el volumen de la disolución
combi nada. Después, se calcula el cociente de reacción Q(Q =
lBa2+Jo[SO¡-]u) y se compara el valor de Q con K ¡>< de BaS04
para ver si se formará un prec ipitado, es decir, si la disolución
es sobresaluJ"flda. Es de utilidad realizar un diagrama de la
situación .
'}.tltlHlL..
MfJWIl18aCCt. ~
C6tl.»J~ "'? [SO~-Jp:: '!
Soluci6n El número de moles de BaH presentes en los 200 mL
originales de disolución es
(colllil1úa)
xxv
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xxvi Prefacio
La sección "Problemas especiales", i lo nuevo en es ta edición! ,
se ha formulado para presentar un desafío al alumno. Varios de
estos pro blemas se han incluido al fi- . nal de cada
capítulo.
Pedagogía
Problemas especiales
1.94 A un cajero bancario se le pide que anne juegos de un dólar
cada uno en monedas para los clientes. Cada juego está compuesto de
tres monedas de 25 centavos , una moneda de cinco centavos y dos
monedas de 10 centavos cada una. Las masas de las monedas son:
5.645 g para la de 25 centavos, 4 .967 g para la de do· co centavos
y 2.316 g para la de 10 centavos . ¿Cuál es el número máximo de
juegos que pueden armarse a partir de 33.871 kg de monedas de 25
centavos , 10.432 kg de monedas de cinco centavos y 7.990 kg de
monedas de 10 centavos? ¿Cuál es la masa total (en gramos) de esta
colección de monedas?
1.98 Una química mezcla dos líquidos, A y B, para fonnar una mezcla
homogénea. Las densidades de los líqui dos son 2.05 14 g/mL para A
y 2.6678 g/mL para B. Cuando deja caer un pequeño objeto dentro de
la mez cla, descubre que éste queda suspendido en el líquido, es
decir, que ni flota ni se hunde. Si la mezcla se com pone de
41.37% de A y 58.63% de B, en volu men, ¿cuál es la densidad del
metal? ¿Puede emplearse este procedimiento, en general , para
determinar las densi dades de los sólidos? ¿Qué consideraciones se
obtie nen al aplicar este método?
1.99 Suponga que se le proporciona un líquido. Describa brevemente
los pasos que reali zaría para demostrar
Cada capítulo contiene una sección de apeltura titulada "Avance del
capítulo" que proporciona a los estudiantes una visión general de
los temas que se presentarán en ese capítulo.
Átomos, moléculas e iones
Ul labla periódica
ImroducciÓll a los compuest05 0rgánicos
Im~acolord.laerniaOn radiaclivaool radio (Ra). Los mo
de\osmuestranelnúcleo oelf8 ' d io y los prod uctos de su
descnmposicOOrlradiacti\l8; r¡. dón(Rn) y una parliculaaWa.la cual
toene dos protones y dos III\I!ronO!s.EI~udiodela'.· diactrvidad
ayudO a me;orar al conocomien:o da los coentllicos
aCQICadetaestruclUfa alOmlca.
AVANCE DEL CAPÍTULO • Se iniciaclcsucaphuloconunape ....
pecli\'lllúS!6ri.cadel3bU"'uN:Idel"'uni~fund..3men.
taJes de la maleria. La versióll moderna de la lrorea MÓmic:a fue
~ula.da por JoIUIlñlton en el Si&lOXIX, quien ;a!irm6q\IC los
elementOS enaban eon~liluidos por p;mICllh.$ e:<I",rn:Kbmen. le
pequeftas. l1arnadall ~Iomos.. TodO'llos ~omos de un elememo
delcnt'linado son id~micol. pe. ro son di fe",ntcsde los:litom05de
tOOos l05dem:is el emenloo . (2.1)
• Se observará que. mediante la e~perimentac ión.los c ientllico!
hJn aprendido que un átomo es· lá constituido por tres partlc ulas
elementales; protón. electron yne utTÓn . El protÓII tiene una
carlla ~ti' ... elcleclrÓn una""gativ¡¡y c l""ulrónnO
lie""Car¡¡¡&.Lo. procOllCsylos""ulro l1CS se locali zan en una
pequc/la "'tiónen el « ntrodol :!tomo.denominada noclea. en ",moque
losel«tmnes~ndlspersosalmledotdetll\lldco.c;eiUldi.stanc:iadefl.(2.2)
• Se analizarán las sllluicmes formas de idenli licar ~ el
numero:u6mico es el nUmero de prolOnes en un DUel=. los 'tnmos de
diferentes elementos tienen numeros at6micos difeTCntes Los
iSÓlopos WIl :hornO'< del mismo elemento con un nGmero diferente
de neutrones. El numc ro de masa es I:J. suma del mlmer,) de
protoncs y ncutrone s e n un áto-mo. Dcbido a que u o dto . moes
el~ctri camenteneutro, ccntjencunmln1<'roigualdeelcct ro""s
ydeprotones. (2.3)
• Se obse .... '31á cómo se pueden Igrup3J 10$ elememos de acuerdo
con sus propiedades fJ.ieas y qufmias en UmI. tabla oooocidl como
labia periódic:a. La labia periódica permi .. c1:tsirocar los
elememos (axoo melalts. metaloides y no metales) y CQlTeI~ S!U
propieobdcs de m;IIICra siSlCmitica. (2.4)
• Se ,~n1 que los ¡¡tomos de la maror p"nc de los elC1!lenl05
intmIClPan para rOfma' compucs- 1M. lo¡ cuajes se clasi fiC3Jl como
mol&:ulas OCOfll¡>UCSt05 ióniCO$ formados por Iones
posili>'Os (cationes) e iones negativos (anione.). (2. S)
• Despu~s se aprender.! a utiliu r fÓ<mu las qulmic3.'l
(moleculall" y empírkas) p;1m "'presenlnr moIkulas y oom puestos
iónicos y mode los pilr:l representar moI~culllS. (2.6)
• Se anaJiur.i un COfIjunl<! de ",gi3s 'I\Ie ay\ld:uán 3 di!
nom~ a los compuestos inor¡::l.nicos.. (2.7)
• E!.ce o;$pftulo termina 00II UIIOI bre,,,, imrocluc:ción al tc/lU
del mundo orgánico 'Iue se rt1om~rá en el o;$phulo24. (2.8)
D~e~':::~::~:m:lde~ ~::~n:=~~~.::,:!:!! ~~~:. !:~:~ piM del ,i lllo
XIX . En la aOlualid~d se ~be que toda la matona esm form~da por
átomos, molk ulas e iones. La qulmica siempre se relaciona, de una
u otro forma. con "SIM especies.
" ' ,,-1\
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Los comentarios al margen proporcionan informa ción adicional
sobre datos importantes, o remiten a algu na sección posterior en
la cual se detallará con mayor profundidad determinado concepto o a
una sección útil para repasar el material.
Las imágenes de modelos moleculares abundan en los márgenes, lo que
permite a los estudiantes "ver" la molécula que se está analizando
en el texto.
El icono de tabla periódica en el margen ilustra las propiedades de
los elementos de acuerdo con sus posicio nes en la tabla.
l A H 2A 3A4ASA6A 7A
N o F el
8A
Al final del capítulo se proporcionan instrumentos de apoyo para el
estudio adicional, como el Resumen de datos y conceptos y también
las Palabras clave, los cua les proporcionan al estudiante una
visión instantánea del capítulo que se está revisando.
Prefacio xxvü
CH,COOH
nium por completo. es decir, son electróli tos débi les. La
iOllizaci6n del ácido a<;tlioo se re presenta como
donde CHJCOO' es el ion acetato. El tf nnino iOlli:JJción se utiJiu
para describir la separ.:! ción de k idos y bases en iones.. Al
escribir la fórmula del ácido acéti ro como CH,cOOH. se indica que
e l protón ionizable está e ll el grupo COOH.
La ionización del ácido acético se escribe con doble flecha ¡»m
indicar que la refJcci6n es rCI'crsible, es deci r. la rtucci6n
puede $Iu::eder en ambos l 'lmtido:f. Inicialmellle, varias
moléculas de CH¡COOH se separan en iones C H)COO' y H+, Con el ti e
mpo. ulgunos io nes CHJCOO' y H ~ vuelven a combin3rse pora forma
r moléclllns de C H1COOH. finalm en te, se llega a un est~do en e
l que las mol~cu l as de ácido se ioniziln con la misma rnp idcz
con laque vue lve n n combinarse los iones. A es te estado químico,
cncl quc no se obseTVa cambio ne to alguno (aunque a nivel molecula
r continúa la actividad) se le llama equilibrio qu(mico. El ácido
acético es, entonce,o¡, un e lectról ito débil porque su ionización
en agua es incompleta. En cont rnste, en una disoluc ió n de ácido
clorhídrico los iones H ' Y CI- no tien den a \'olver a combinarse
para formar HCI molecular. Por lo tanto, se util iza una sola ne
cha para indicar q ue su ionización es completa.
4.2 Reacciones de precipitación
La reacci6n de precipitaci6n es un tipo común de reacción en
disolución acuosa que u cu· mcteri<fl por luforl/loci6n de urr
prool/cto insoluble o precipitado. Un pruipitada es un s6· lido
irlSolub/e que se separu de lu düo{uci611. En las reacciones de
precipitación por lo genera l partidpM compuestos iónicos. Por
ejemplo, cuando se agrega una disolución acuo· sa de nitrato de
plomo [Pb(NOJ)2[ a una disolución acuosa de yoduro de potas io
(KI), se fonna un precip itado nmarillo de yodllro de plomo (Pbl l
):
El nitmlo de pobsio queda en disolución. L .. fi gura 4.3 muest ra
cI progreso de esta r~c
ción. La reacción nnterior es un ejemplo de una reacci6n de
metótesis (ta mbif n se denomi
na reacción de doble desplazamiento), (JI/a "occi6" qlfe implica ti
imen:wnbio de partes em" dos compuestos. (En este caso, los
cationes en los dos oompuestos intercambian a.nio-
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XXV IlJ Prefacio
MATERIALES DE APOYO Esta obra cuenta con interesantes complementos
que fortale cen los procesos de enseñanza-aprendizaje, así como la
eva luación de los mismos, los cuales se otorgan a profesores que
adoptan este texto para sus cursos. Para obtener más infor mación
y conocer la política de entrega de estos materiales, contacte a su
representante McGraw-Hill.
Reconocimientos Me gustaría reconocer el trabajo de los siguientes
revisores y grupo de participantes, cuyos comentarios fueron de
gran ayuda para InÍ en la preparación de esta nueva edición:
Rex D. Ackerson Northern Oklahoma College
Jeff Anderson Murray State University
Jeff Appling Clemson University
Alexandru Bajaban Texas A & M University-Galveston
David Ball Cleveland S/ate University
Mufeed Basti North Carolina A & T Sta/e University
Alan Bates University of Massachusetts- Dartmouth College
Colin Bateman Brevard Community CoLlege
Sr. Joanne Bauer Xavier University
Paul Benoit University of Arkansas
Laine Berghout Weber State University
Conrad Bergo East Stroudsburg University
Richard Biagioni Missouri State University
Christine Bilicki Pasadena City College
Dan Black Snow College
Wayne Bosma Bradley University
David Boyajain Palomar College
W. Lin Coker III Campbell University
Robert Cordell Heidelberg College
Gary DeBoer LeTorneau University
Mary Kate Donais Saint Anselm College
Bill Durham University of Arkansas
Jeffrey Evans University of Southem Mississippi
Dr. Ewane Houston Community College
"red Fickel Los Angeles Valley College
Neil Fitzgerald Marist College
Krishna Foster California Slate University-Los Ángeles
Kristeen Fukunaga Palomar College
Roy Garvey North Dakota State University
Natarajan Geetha Palomar College
Alicia Glatfelter Wilkes University
Harold Goldwhite Cal!fornia State University-Los Ángeles
Lisa Goss ldaho State University
Gary Gray University o.f Alabama-Birnúngharn
Gregory R. Hale University o.f Texas at Arlington
Dale Hawley Kansas State University
Sherman Henzel Monroe Communiry College
arayan Hosmane Northern Illinois Un iversity
Larry Houk University of Memphis
Byron Howell 7:yler Junior College
Wendy Innis-WhitehoLlse Universiry of Texas-Pan American
Richard Jarman College of DuPage
Eric Johnson Ball Sta te University
Stacy Jones Northwest Mississippi Community College
Carolyn Judd Houston Community College
Don Jurkowitz Community College of Rhode [sland
Kirk Kawagoe Fresno City College
Robert Keil Moorpark College
Patrick Ko lniak Louisiana State University
Gerald Korenowski Rensselaer Polytechnic Institute
Peter Krieger Palm Beach Community College
Bette A. Kreuz University of Miclúgan-Dearborn
Lennart H. Kullberg Winthrop Uni versily
Jothi V. Kumar North Carolina A & T State University
Brian Lamp Truman State University
John Larese University ofTennessee-Kn.oxville
Daniel Lawson University of Michigan-Dearborn
Clifford LeMaster Boise State University
Michael Lerner Oregon State
Shannon Lieb Butler University
Arthur Low Tarleton University
Donald Mencer Wilkes University
Dave Metcalf University ofVirginia
Renee R. Muro Oakland Community College
Chip Nataro LaFayette College
Daphne Norton Emory University
Tom Otieno Eastern Kentucky University
Jason Overby College ofCharleston
Manoj Patil Western Iowa Technical Community College
Les Pesterfield Western Kentucky University
Karl Peterson University ofWisconsin-River Falls
Gary Pfeiffer Ohio University-Athens
Henry Po California State University-Long Beach
Steve Pruett Jefferson Community College
Judy Ratliff Murray State University
Carey S. Reed Penn State-Altoona
JelTy Reed-Mundell Cleveland State University
Michelle Richards-Babb West Virginia University
B. Ken Robertson University of Missouri-Rolla
Rhonda Robertson Jones Junior College
Ellen Roskes Villa Julie College
Tim Royappa University ofWest Florida
James Rozell Tyler Junior College
Susan Rutkowsky Drexel University
Arthur Salido Mercer University
Dennis Sardella Boston College
Nelson Scott California State Polytechnic University
Will Seltzer University of Alabama-Huntsville
Supriya Sihi Houston Community College
Alka Shukla Houston Community College
Shyam Shukla Lamar University
Kathie Snyder Winthrop University
Alan Stolzenberg West Virginia University
Kathy Thrush Villanova University
Richard Toomey Northwest Missouri State University
Frank TOlTe Springfield College
Dragic Vukomanovic University of Massachusetts- Dartmouth
Rosie Walker Metropolitan State College of Denver
Sheryl Wallace South Plains College
Jeffrey Wardeska East Tennessee State University
Phil Watson Oregon State University
David Weiss University of Colorado at Colorado Springs
Tracy Willis Texas Southern University
Klaus Woelk University of Missouri-Rolla
Frank Woodruff University of Southern Mississippi
John Young Mississippi Sta te University
James Zirnmerman Missouri Sta te University
También quisiera agradecer a las siguientes personas por su
contribución en los problemas al final de cada capítulo:
Nancy Gardner California State University-Long Beach
John Hagen California Polytechnic State University-San Luis
Obispo
Michael Jones Texas Tech University
Jason Overby College ofCharleston
Philip Reid University ofWashington
Como siempre, me he beneficiado de las pláticas con mis colegas en
Williams College y de la cOlTespondencia con muchos profesores
internos y externos.
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xxx Prefacio
Es un placer agradecer el apoyo que me han brindado los siguientes
miembros de la división de estudios universi tarios: Tammy Ben,
Doug Dinardo, Chad Grall, Tracy Kon rardy, Kara Kudronowicz, Marty
Lange, Michael Lange y Kurt Strand. En particular, me gustaría
mencionar a Gloria Schiesl por supervisar la producción en
condiciones de tiem po muy limitadas, a David Hash por el diseño
del libro, a John Leland por la investigación fotográfica, a Jake
Theo bald y Judi David por los recursos multimedia y a Tami
Hod-
Agradecemos la valiosa contribución de los siguientes profesores
que participaron en la asesoría técnica de la versión en español de
la novena edición:
Susana Francisca Llesuy Universidad de Buenos Aires
María del Carmen Grande Universidad de Buenos Aires
Javier Ramírez Angulo ITESM, campus Estado de México
Silvia Ponce López ITESM, campus Monterrey
Nancy Martin Guaregua Universidad Autónoma Metropolitana
Iztapalapa
Verónica Martínez Miranda Universidad Autónoma del Estado de México
campus Toluca
Jorge Noriega Gaxiola Instituto Tecnológico de Culiacán
Teresa Ávalos Munguía CUCEI, Universidad de Guadalajara e ITESM,
campus Guadalajara
ge, directora de marketing, por sus sugerencias y estímulo. También
agradezco al editor de patrocinio, Thomas Timp, y al editor, Kent
Peterson, por su apoyo y consejos. Por último, mi agradecimiento
especial a Shirley Oberbroeckling, edito ra de desarrollo, por su
cuidado y entusiasm~ en el proyecto, y por su supervisión en cada
etapa de la elaboración de esta edición.
Raymond Chang
Irma Salgado Escobar ITESM, campus Ciudad de México
Ma. del Carmen Doria Serrano Universidad Iberoamericana, Ciu dad
de México
Ana María Mutio ITESM, Campus Toluca
PaoJa Zarate Segura ESIME, Instituto Politécnico Nacional-Cul
huacán
Daisy Escobar Castillejos Universidad Autónoma de Chiapas
Geolar Fetter Universidad de las Américas Puebla y Benemérita
Universidad Autónoma de Puebla
Araceli Florido Segoviano ITESM, campus Querétaro
Carmen Ma. Bojórquez Aldapa Instituto Tecnológico de Culiacán
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L a química general se percibe, comúnmente, como una materia más
difíc.il que otras. Existe cierta justifica ción para tal
creencia. Por una parte, tiene un lengua
je muy especializado. Al prinCIpIO, estudiar qUllllica es como
aprender un nuevo idioma. Más adelante, algunos de los conceptos
son abstractos. Sin embargo, con cierto esmero, el estudiante
completará con éxito este curso e inclu so lo disfrutará. He aquí
sugerencias que le ayudarán a for mar buenos hábitos de estudio y
a dominar el material de este texto:
• Asista a clases regularmente y tome notas con cuidado.
• Si es posible, repase siempre los temas analizados en clase el
mismo día que se cubrieron. El libro le ayudará a completar sus
apuntes.
• Piense de manera crítica. Pregúntese si en verdad com prendió el
significado de un término o el, uso de una ecuación. Una buena
manera de comprobar su compren sión es explicar un concepto a un
compañero de clase o a otra persona.
• No dude en pedir ayuda al profesor o a su asistente.
Las henamientas de la novena edición de Química fueron di señadas
para capacitarlo en el buen desempeño dentro de su curso de química
general. La siguiente guía explica cómo obtener plena ventaja del
texto, la tecnología y otras herra mientas.
• Antes de entrar de lleno a un capítulo, revise la organi zación
del mismo y lea la introducción para darse una idea de los temas
importantes. Tome apuntes en clase con base en la organización del
capítulo.
• Al final de cada capítulo aparece un resumen de datos y
conceptos, así como una lista de palabras clave, que le ayudarán a
prepararse para los exámenes.
• Las definiciones de las palabras clave pueden estudiarse en
contexto en las páginas señaladas en la lista al final del
capítulo, o bien, en el glosario del libro.
• El estudio cuidadoso de los ejemplos numerados, que se intercalan
en el cuerpo de cada capítulo, mejorará su ha bilidad para
analizar los problemas y efectuar los cálcu los necesarios para
resolverlos. Tómese su tiempo para trabajar en el ejercicio que
sigue a cada ejemplo, pues le servirá para asegurarse de haber
comprendido la forma de resolver el tipo de problema en turno. Las
respuestas a los ejercicios aparecen al final del capítulo, después
de los problemas de tarea. Para una práctica adicional, re mítase
a los problemas similares indicados en el margen junto al
ejemplo.
• Las preguntas y los problemas al final de capítulo fue ron
organizados por sección.
• La parte interior de la cubierta muestra una lista de cifras
importantes y de tablas con referencias a las pági nas. Este
índice facilita buscar con rapidez la informa ción cuando usted se
encuentra resolviendo problemas o estudiando problemas relacionados
en diferentes capí tulos.
Si sigue estas sugerencias, y se mantiene al día con sus tareas,
encontrará que la química es desafiante, pero menos difícil y mucho
más interesante de lo que imaginó.
Raymond Chang
xxxi
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Química
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Química
Un globo lleno de hidrógeno ex plota al calentarlo con una flama.
El hidrógeno gaseoso reacciona con el oxígeno que está en el ai re
para formar vapor de agua. La química es el estudio de las pro
piedades de la materia y de los cambios que ésta experimenta. Los
modelos presentan las mo léculas de hidrógeno, oxígeno y
agua.
El estudio del cambio
1.2 El estudio de la química
1.3 . El método científico
1.5 Los tres estados de la materia
1.6
1.7
1-8
1.9
Mediciones
Análisis dimensional en la resolución de problemas
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AVANCE DEL CAPÍTULO • Este capítulo da inicio con una breve
introducción al estudio de la química y su función dentro
de la sociedad moderna. (1.1 y 1.2)
• A continuación se conocerán las bases del método científico, el
cual es una metodología siste mática para la investigación en
todas las disciplinas. (1.3)
• Se definirá el concepto de materia y se observará que una
sustancia pura puede ser un elemen to o un compuesto. Se
distinguirá entre una mezcla homogénea y una heterogénea. Se
aprende rá que, en principio, toda la materia puede existir en
cualquiera de tres estados: sólido, líquido o gaseoso. (1 04 Y
1.5)
• Para caracterizar una sustancia es necesario conocer sus
propiedades físicas, las cuales son ob servables sin que sus
propiedades químicas e identidad sufran cambio alguno, lo que sólo
pue de demostrarse mediante cambios químicos. (1.6)
• Debido a que la química es una ciencia experimental, implica el
uso de las mediciones. Se co nocerán las unidades básicas del SI
(Sistema Internacional de medidas) y se emplearán sus uni dades
derivadas en cantidades como el volumen y la densidad. También se
estudiarán las tres escalas de temperatura: Celsius, Fahrenheit y
Kelvin. (1.7)
• Con frecuencia, los cálculos químicos implican el uso de
cantidades muy pequeñas o muy gran des, y una manera conveniente
para tratar con algunas de estas cifras es la notación científica.
En los cálculos o mediciones cada cantidad debe presentar el número
adecuado de cifras signi ficativas, las que corresponden a dígitos
importantes. (1.8)
• Por último, se entenderá la utilidad del análisis dimensional
para los cálculos químicos. Allle var cada unidad a lo largo de la
secuencia completa de cálculos, todas las unidades se cancelan, a
excepción de la cantidad buscada. (1.9)
L a química es una ciencia activa y en evolución que tiene
importancia vital en nuestro planeta, tanto en la naturaleza como
en la sociedad. Aunque sus raíces son antiguas, la química es en
to
dos sentidos una ciencia moderna, como se verá poco más adelante.
Se iniciará el estudio de la química en el nivel macroscópico, en
el que es posible observar y
medir los materiales que forman nuestro mundo. En este capítulo se
analizará el método científico, que es la base para la
investigación no sólo en química, sino también en las demás
ciencias. Luego, se descubrirá la forma en que los científicos
definen y caracterizan a la materia. Posteriormente, se conocerán
los sistemas de medición usados en el laboratorio. Por último, se
dedicará un poco de tiempo al aprendi zaje del manejo de los
resultados numéricos de las mediciones químicas y a la re solución
de problemas numéricos. En el capítulo 2 dará inicio la exploración
del mundo microscó pico de átomos y moléculas.
3
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4 Química: El estudio del cambio
El ideograma chino para el término quími ca significa "el estudio
del cambio".
1.1 Química: una ciencia para el siglo XXI
La química es el estudio de la materia y los cambios que ocurren en
ella. Es frecuente que se le considere como la ciencia central, ya
que los conocimientos básicos de química son indispensables para
los estudiantes de biología, física, geología, ecología .y muchas
otras disciplinas. De hecho, la química es parte central de nuestro
estilo de vida; a falta de ella, nuestra vida sería más breve en lo
que llamaríamos condiciones primitivas, sin automóvi les,
electricidad, computadoras, discos compactos ni muchas otras
comodidades modernas.
Aunque la química es una ciencia antigua, sus fundamentos modernos
se remontan al siglo XIX, cuando los adelantos intelectuales y
tecnológicos permitieron que los científicos separaran sustancias
en sus componentes y, por lo tanto, explicaran muchas de sus carac
terísticas físicas y químicas. El desarrollo acelerado de
tecnología cada vez más refinada durante el siglo xx nos ha
brindado medios cada vez mayores para estudiar lo que es ina
preciable a simple vista. El uso de las computadoras y microscopios
especiales, por citar un ejemplo, permite que los químicos analicen
la estructura de los átomos y las moléculas -las unidades
fundamentales en las que se basa el estudio de la química- y
diseñen nue vas sustancias con propiedades específicas, como
fármacos y productos de consumo no contaminantes.
En este principio del siglo XXI conviene preguntarse qué función
tendrá la ciencia cen tral en esta centuria. Es casi indudable que
la química mantendrá una función fundamental en todas las áreas de
la ciencia y la tecnología. Antes de profundizar en el estudio de
la ma teria y su transformación, consideremos algunas fronteras
que los químicos exploran actual mente (figura l.1) . Sin importar
las razones por las que el estudiante tome un curso de introducción
a la química, el conocimiento adecuado de esta disciplina le
permitirá apreciar sus efectos en la sociedad y en su propia
persona.
Salud y medicina Tres logros importantes en el siglo xx han
permitido la prevención y tratamiento de enfer medades. Se trata
de medidas de salud pública que establecieron sistemas sanitarios
para proteger a numerosas personas contra enfermedades infecciosas;
la cirugía con anestesia, que ha posibilitado a los médicos para
curar enfermedades posiblemente mortales, como la apendicitis, y el
advenimiento de vacunas y antibióticos, que hicieron factible la
prevención de enfermedades causadas por microorganismos. La terapia
génica al parecer será la cuar ta revolución en la medicina. (Los
genes son la unidad básica de la herencia.) Se cuentan por miles
las enfermedades conocidas, entre ellas la fibrosis quística y la
hemofilia, ocasio nadas por un daño heredado de un solo gen.
Muchos otros padecimientos, como cáncer, en fermedades cardiacas,
SIDA y artritis, resultan hasta cierto punto de alteraciones de uno
o más genes relacionados con los sistemas de defensa del organismo.
En la terapia génica se inserta un gen sano específico en las
células del paciente para curar o aminonu: esos tras tornos. A fin
de ejecutar esos procedimientos, el médico debe tener conocimientos
sólidos de las propiedades químicas de los componentes mOleculare,s
implicados. La descodifica ció n del genoma humano, que comprende
todo el material genético de nuestro organismo y desempeña una
función esencial en la terapia génica, se basa principalmente en
técnicas químicas.
Los químicos de la industria farmacéutica investigan fármacos
potentes con pocos o nu los efectos adversos para el tratamiento
del cáncer, SIDA y muchas otras enfermedades, ade más de fármacos
para aumentar el número de trasplantes exitosos de órganos. En una
escala más amplia, mejorar nuestra comprensión sobre el mecanismo
del envejecimiento permitirá lograr esperanza de vida más
prolongada y saludable para los habitantes del planeta.
Energía y ambiente La energía es un producto secundario de muchos
procesos químicos, y al continuar el au mento en su demanda, tanto
en países industrializados, entre ellos Estados Unidos, como
en
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a) b)
e)
Figura 1.1 a) Resultado de un equipo automatizado secuenciador de
ADN. Cada línea muestra una secuencia (indicada por colores
distintos) obtenida de muestras distintas de ADN. b) Celdas
fotovoltaicas. c) Oblea de silic io en fabricac ión. d) La hoja de
la izquierda se tomó de una planta de tabaco no sometida'a
ingeniería genética y expuesta a la acción del gusano del tabaco.
La hoja de la derecha sí fue sometida a ingeniería genética y
apenas la atacaron los gusanos. Es facti ble aplicar la misma
técnica para proteger las hojas de otros tipos de plantas.
naciones en vías de desarrollo, como China, los químicos intentan
activamente encontrar nuevas fuentes de energía. En la actualidad,
las principales fuentes de energía son los com bustibles fósiles
(carbón, petróleo y gas natural). Las reservas estimadas de estos
combus tibles durarán otros 50 a 100 años con el ritmo actual de
consumo, por lo que es urgente encontrar fuentes alternas.
La energía solar al parecer es una fuente viable de energía para el
futuro . Cada año, la superficie terrestre recibe de la luz solar
alrededor de 10 veces la energía contenida en to das las reservas
conocidas de carbón, petróleo, gas natural y uranio combinadas. Sin
em bargo, gran parte de esa energía se "desperdicia" al reflejarse
hacia el espacio exterior. En los últimos 30 años , las intensas
actividades de investigación han mostrado que la energía solar
puede aprovecharse con efectividad de dos maneras. Una de ellas es
su conversión di recta en electricidad mediante el uso de
dispositivos llamados celdas fotovoltaicas. La otra consiste en
usar la luz solar para obtener hidrógeno a partir del agua. Luego,
el hidrógeno alimenta a una celda combustible para generar
electricidad. Aunque se han logrado ade lantos en los
conocimientos del proceso científico de conversión de la energía
solar en elec tricidad, la tecnología todavía no ha mejorado al
punto de que sea factible producir electricidad en gran escala y
con costo económicamente aceptable. Sin embargo, se ha pre dicho
que para el año 2050 la energía solar satisfará más de 50% de las
necesidades ener géticas.
5
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6 Química: El estudio del cambio
Otra posible fuente de energía es la fisión nuclear, si bien el
futuro de la industria nu clear en Estados Unidos y otros países
es incierto a causa de preocupaciones ambientalis tas sobre los
desechos radiactivos de los procesos de fisión. Los químicos pueden
ayudar en el mejoramiento del destino final de los desechos
nucleares. La fusión nuclear, el proceso que ocurre en el sol y
otras estrellas, genera enormes cantidades de energía.sin producir
mu chos desechos radiactivos peligrosos. Al cabo de otro medio
siglo, es probable que la fusión nuclear se convierta en una fuente
significativa de energía.
La producción y utilización de la energía se relacionan
estrechamente con la calidad del ambiente. Una desventaja
importante de quemar combustibles fósiles es que se produce dió
xido de carbono, que es uno de los gases de invernadero (es decir,
los que promueven el ca lentamiento de la atmósfera terrestre),
además de dióxido de azufre y óxidos de nitrógeno, que producen la
lluvia ácida y el esmog. (El aprovechamiento de la energía solar no
tiene esos efectos nocivos en el ambiente.) El uso de automóviles
eficientes en el consumo de combus tibles y de convertidores
catalíticos más efectivos debe pennitir una reducción considerable
de las emisiones automotrices nocivas y el mejoramiento de la
calidad de la atmósfera en las áreas con tránsito vehicular
intenso. Además, debe aumentar el uso de automóviles eléctricos
equipados con baterías duraderas y de automóviles híbridos,
alimentados por baterías y ga solina, lo que ayudará a minimizar
la contaminación atmosférica.
Materiales y tecnología La investigación y el desarrollo de la
química en el siglo xx han generado nuevos materia les con efecto
de mejoramiento profundo de la calidad de vida y han ayudado a
mejorar la tecnología de diversas maneras. Unos cuantos ejemplos
son lbs polímeros (incluidos el cau cho y el nailon) , la cerámica
(como la que se usa en utensilios de cocina), los cristales lí
quidos (como los de las pantallas electrónicas), los adhesivos
(como los usados en notas adherentes) y los materiales de
recubrimiento (por ejemplo, las pinturas de látex).
¿Qué nos reserva el futuro cercano? Algo muy probable es el uso de
materiales super conductores a temperatura ambiente. La
electricidad se conduce por cables de cobre, que no son conductores
perfectos. Por consiguiente, casi 20% de la energía eléctrica se
pierde en forma de calor entre la planta generadora de electricidad
y los hogares u oficinas, lo que constituye un desperdicio enorme.
Los superconductores son materiales desprovistos de re sistencia
eléctrica, y por lo tanto conducen la electricidad sin pérdida de
energía. Aunque el fenómeno de la superconductividad a temperaturas
muy bajas (más de 400 grados Fahren heit por debajo del punto de
congelación del agua) se ha conocido durante más de 80 años, un
adelanto importante a mediados del decenio de 1980 reveló que es
posible fabricar ma teriales que actúen como superconductores a la
temperatura ambiente o cerca de ella. Los químicos han ayudado en
el diseño y síntesis de nuevos materiales promisorios en dicha
búsqueda. En los 30 años siguientes, veremos la aplicación en gran
escala de superconduc tores a altas temperaturas en la resonancia
magnética de imágenes (RMI), trenes de levita ción magnética y
fusión nuclear.
Si fuera necesario mencionar un adelanto tecnológico que ha
conformado nuestras vi das más que ningún otro, habría que señalar
a las computadoras. El "motor" que impulsa la revolución de las
computadoras es el microprocesador -el diminuto chip de silicio que
ha servido de base para numerosas invenciones, como las
computadoras portátiles y apamtos de fax-. La eficiencia de los
microprocesadores se juzga según la velocidad con la que rea lizan
operaciones matemáticas, como la suma. El ritmo del progreso es tal
que desde su ad venimiento se ha duplicado la velocidad de los
microprocesadores cada 18 meses. La calidad de un microprocesador
depende de la pureza del chip de silicio y de la capacidad para
agregar la cantidad necesaria de otras sustancias, situación en que
los químicos desem peñan una función importante en la
investigación y desarrollo de chips de silicio. En el fu turo, los
científicos empezarán a explorar las perspectivas de la
"computación molecular", es decir, la sustitución del silicio con
moléculas. Las ventajas radican en que puede lograr se que ciertas
moléculas respondan a la luz, no a los electrones, con lo que se
tendrían
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computadoras ópticas, no electrónicas. Con base en la ingeniería
genética apropiada, los científicos pueden sintetizar esas
moléculas con microorganismos, que sustituirían a gran des
fábricas. Las computadoras ópticas también tendrían una capacidad
mucho mayor de almacenamiento que las electrónicas.
Alimentos y agricultura ¿Cómo alimentar a la creciente población
mundial? En países pobres, casi 80% de la fuer za laboral se
dedica a la producción agrícola y la mitad del presupuesto familiar
promedio se gasta en alimentos. Ello constituye una carga enorme
para los recursos de esas naciones. Los factores que afecta~l a la
producción agrícola son la riqueza del suelo, los insectos y en
fermedades que dañan a los cultivos, y otras plantas que compiten
por los nutrientes. Ade más de la irrigación, los agricultores
recurren a fertilizantes y plaguicidas para mejorar la
productividad de sus cultivos. Desde el decenio de 1950, el
tratamiento de los cultivos in festados por plagas ha consistido a
veces en la aplicación indiscriminada de compuestos químicos
potentes. Es frecuente que tales medidas hayan tenido efectos
nocivos graves en el ambiente. Inclusive el uso excesivo de
fertilizantes es dañino para el suelo, el agua y la
atmósfera.
A fin de satisfacer la demanda de alimentos en el siglo XXI, deben
idearse estrategias novedosas para la actividad agrícola. Se ha
demostrado ya que con la biotecnología es po sible obtener
cultivos más abundantes y de mejor calidad. Estas técnicas se han
aplicado a muchos productos agrícolas , no sólo para mejorar su
producción, sino también para obte ner más cosechas anuales. Por
ejemplo, se sabe que cierta bacteria produce una proteína tó xica
para las orugas que comen hojas. La inclusión del gen que codifica
la toxina en las plantas cultivadas les brinda protección contra
ellas, de modo que no se requieran los pes ticidas. Los
investigadores también han encontrado la forma de prevenir la
reproducción de las plagas de insectos. Los insectos se comunican
entre sí al emitir moléculas especiales, llamadas feromonas, ante
las cuales reaccionan. La identificación y la síntesis de feromonas
implicadas en el apareamiento permite interferir en el ciclo
reproductivo normal de pla gas comunes, por ejemplo, al inducir el
apareamiento reproductivo prematuro de los insec tos o engañar a
las hembras para que se acoplen con machos estériles. Por
añadidura, los químicos pueden idear formas de aumentar la
producción de fertilizantes menos dañinos para el ambiente y
sustancias que eliminen selectivamente a las hierbas nocivas.
1.2 El estudio de la química
En comparación con otras disciplinas, es habitual la idea de que la
química es más difícil, al menos en el nivel básico. Dicha
percepción se justifica hasta cierto punto; por ejemplo, es una
disciplina con un vocabulario muy especializado. Sin embargo,
inclusive si éste es el primer curso de química que toma el
estudiante, ya está familiarizado con el tema mucho más de lo que
supone. En las conversaciones cotidianas, se escuchan palabras
relacionadas con la química, si bien no necesariamente usadas en el
sentido científicamente correcto. Son ejemplo de ello términos como
"electrónica", "salto cuántico", "equilibrio", "catalizador",
"reacción en cadena" y "masa crítica". Además, si el lector cocina,
¡entonces es un quími co en ejercicio! Gracias a su experiencia en
la cocina, sabe que el aceite y el agua no se mezclan y que si deja
hervir el agua en la estufa llega un momento en que se evapora por
completo. También aplica los principios de la química y la física
cuando usa el bicaóona to de sodio en la elaboración de pan; una
olla a presión para abreviar el tiempo de prepara ción de guisos,
y añade ablandador de carnes a un platillo, exprime un limón sobre
rebanadas de pera para evitar que se tornen parduscas o sobre el
pescado para minimizar su olor, o añade vinagre al agua en la que
cuece huevos. Todos los días observamos esos cam bios sin pensar
en su naturaleza química. El propósito de este curso es hacer que
el estu-
7
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8 Química: El estudio del cambio
Figura 1.2 Vista molecular simplificada de la formación de la
herrumbre (Fe20 3) a parti r de átomos de hierro (Fe) y moléculas
de oxíge no (02 ), En realidad, el proceso requ iere agua y la
herrumbre también contiene moléculas de agua.
diante piense como químico, que vea el mundo macroscópico -lo que
podemos ver y to car directamente- y visualice las partículas y
fenómenos del mundo microscópico que no podemos experimentar sin la
tecnología moderna y nuestra imaginación.
Al principio es factib le que al estudiante le resulte confuso que
su profesor de química y este libro alternen continuamente entre
los mundos microscópico y macroscópico. Sim plemente debe tener en
mente que los datos de las investigaciones químicas suelen prove
nir de observaciones de fenómenos a gran escala, si bien las
explicaciones suelen radicar en el mundo microscópico invisible e
imaginario de átomos y moléculas. En otras palabras, los químicos
frecuentemente ven algo (en el mundo macroscópico) y piensan en
algo más (en el mundo microscópico). Por ejemplo, al observar los
clavos oxidados de la figura 1.2, un químico pensaría en las
propiedades básicas de los átomos individuales de hierro y la for
ma en que interaccionan dichas unidades con otros átomos y
moléculas para producir el cambio observado.
1.3 El método científico
Todas las ciencias, incluidas las sociales, recurren a variantes de
lo que se denomina méto do científico, que es un enfoque
sistemático para la investigación. Por ejemplo, un psicó logo que
pretende indagar el efecto del ruido en la capacidad de las
personas para aprender química y un químico interesado en medir el
calor liberado por la combustión del hidróge no gaseoso en
presencia de aire utilizarían aproximadamente el mismo
procedimiento en sus investigaciones. El primer paso consiste en
definir minuciosamente el problema. El si guiente es realizar
experimentos, elaborar observaciones detalladas y registrar la
informa ción, o datos, concernientes al sistema, es decir, a la
parte del universo que se investiga. (En los ejemplos recién
mencionados, los sistemas son el grupo de personas que estudia el
psi cólogo y una mezcla de hidrógeno y aire,
respectivamente.)
Los datos obtenidos en una investigación pueden ser cualitativos, o
sea, consistentes en observaciones generales acerca del sistema, y
cuantitativos, es decir, comprende los nú-
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11 Observación I:-------.¡; I Representación l:-------.¡-I t
meros obtenidos de diversas mediciones del sistema. En general, los
químicos usan símbo los y ecuaciones estandarizados en el registro
de sus mediciones y observaciones. Esta for ma de
representación-no sólo simplifica el proceso de registro, sino que
también constituye una base común para la comunicación con otros
químicos.
Una vez terminados los experimentos y registrados los datos, el pa